ما هو الألومنيوم (أو الألمنيوم)؟

قد يكون الألومنيوم أحد أكثر المعادن غير الحديدية استخدامًا على نطاق واسع، ومع ذلك من المحتمل أنك لم تلامس الألومنيوم النقي بشكل مباشر بسبب تفاعله مع الأكسجين وبسبب وجوده الطبيعي في شكله المعدني.

مكّن اكتشاف الأمريكي تشارلز مارتن هول والفرنسي بول هيرولت لعملية هول-هيرولت في عام 1886 من استخراج معدن الفضة الناعم والخفيف الوزن من البوكسيت الخام عن طريق طريقة الاستخراج الناعم هذه، مما أتاح للناس رؤية شكله!

المنشأ

يعد الألومنيوم، الذي يبلغ عدده الذري 13، عنصرًا نادرًا نسبيًا ولا يوجد تقريبًا نقيًا في الطبيعة، وعادةً ما يظهر في صورة أكاسيد أو سيليكات يجب معالجتها للحصول على الشكل المعدني. في البداية، لم يدرك العلماء أن الشب (كبريتات ألومنيوم البوتاسيوم)، الذي يشيع استخدامه كمادة قابضة في الطب، كان يتكون في الواقع من مركبات فلزية غير معروفة. اكتشف أورستد فلز الألومنيوم عن طريق اختزال الألومينا (أكسيد الألومنيوم) مع ملغم البوتاسيوم في عام 1825، وصاغ الكيميائي البريطاني همفري ديفي فيما بعد اسم الألومنيوم له، مثل البوتاسيوم والصوديوم. ولكن لم يبدأ الناس في استخدام اسمه الجديد على نطاق واسع حتى أصبح إنتاجه التجاري ممكنًا في أواخر القرن التاسع عشر.

في البداية، كان هذا المعدن الجديد نادرًا ومكلفًا للغاية لدرجة أن القليل من الناس استخدموه. ولكن بحلول أوائل القرن العشرين، أصبح أكثر المعادن غير الحديدية استخدامًا في العالم. وكونه قويًا وخفيف الوزن في آنٍ واحد يجعله مثاليًا لتغليف الأطعمة والمشروبات أو بناء مركبات النقل مثل السيارات والطائرات والدراجات.

وخلافاً للمعادن الأخرى، فإن الألومنيوم غير سام وغير مغناطيسي، كما أنه مقاوم للتآكل وغير قابل للإشعال؛ مما يجعله خياراً ممتازاً للموصلات الكهربائية. وعلاوة على ذلك، فإن طبيعته القابلة لإعادة التدوير تجعله شائعًا لدى المصنعين الذين ينتجون منتجات مثل علب المشروبات أو السيارات.

نظرًا لخفة وزنه ومتانته، يُستخدم الألومنيوم في كل شيء بدءًا من أواني الطهي وأواني الخبز إلى بناء النوافذ والأبواب والتطبيقات الصناعية وهياكل السيارات وأجنحة الطائرات وكذلك إنتاج الرقائق المعدنية والطلاء. إن سعر الألومنيوم المنخفض يجعله مادة أساسية في الاقتصادات الحديثة؛ ويمكن معالجة ليونة الألومنيوم عن طريق تقسية الألومنيوم باستخدام عملية الألمنيوم؛ وهذا يمكن أن يزيد من المتانة بشكل كبير.

الخصائص

الألومنيوم (Al) هو معدن فضي خفيف ذو خواص فيزيائية وكيميائية ممتازة، بما في ذلك نسبة القوة إلى الوزن الفائقة ومقاومة التآكل. وبفضل هذه الخصائص، أصبح الألومنيوم أكثر المعادن غير الحديدية شيوعًا استخدامًا والمعادن القابلة لإعادة التدوير بشكل عام. وعلاوة على ذلك، فإن تركيبه الذري الفريد من نوعه من FCC يمنح المعدن خصائص فيزيائية وكيميائية فريدة متنوعة.

يأتي الألومنيوم من مصدرين أساسيين. فخام البوكسيت هو مصدر حوالي 991 تيرابايت 3 تيرابايت من إنتاج الألومنيوم في العالم، وهو عبارة عن رواسب معدنية حمراء بنية اللون تتكون من معادن أكسيد الحديد المختلفة التي يتم تعدينها ومعالجتها من أجل إنتاج الألومينا، وهو الشكل الأساسي للألومنيوم الخام.

الألومينا (الكوراندوم) هو مركب طبيعي من الألومنيوم والأكسجين تبلغ درجة انصهاره حوالي 1,500 درجة مئوية. وعند وجوده في المحلول في صورة أيونات سداسي أكسيد الألومنيوم Al3+ يمكن أن تعمل أيونات سداسي أكسيد الألومنيوم كمانحات بروتونية، حيث تتحلل مائيًا تدريجيًا حتى تشكل الألومينات أو الألومينا (Al(OH)3) التي تترسب من الماء بعد حدوث التحلل المائي، مما يساعد على تنقية الماء من خلال ما يعرف باسم "تكرير الألومينا".

يمنح طحن الألومينا إلى حجم جسيمات دقيق للغاية استخدامات متعددة كمادة كاشطة. ويمكن استخدامه لإزالة الصدأ من أسطح الفولاذ، وطحن المعادن وتلميعها، وتصفية إنتاج مياه الشرب لأغراض الاستهلاك، وتلبد محطات معالجة مياه الصرف الصحي كعامل ترسيب وإنتاج مواد كيميائية مثل هيدروكسيد الصوديوم أو الكحول الإيثيلي لعمليات التصنيع.

يوفر الألومنيوم وسبائكه توصيلًا كهربائيًا وحراريًا فائقًا، بالإضافة إلى نسب قوة إلى وزن استثنائية ومقاومة للتآكل، مما يجعله مناسبًا لصنع القوالب ذات الأشكال المعقدة. كما أن سطحها شديد الانعكاس يجعل من الألومنيوم المصقول مادة ممتازة للاستخدام عند تغليف علب الأغذية والمشروبات بالرقائق المعدنية.

ويتميز الألومنيوم بكثافة منخفضة حيث تقل كثافته بمقدار 2.5 مرة عن كثافة الفولاذ، مما يجعله مادة ممتازة لتطبيقات النقل وتشييد المباني. كما أن طبيعة الألومنيوم عالية الليونة تسمح بتشكيله في صفائح رقيقة للاستخدامات الإنشائية؛ مما يزيد من قوة الشد بإضافة كميات صغيرة من المغنيسيوم أو السيليكون.

الاستخدامات

يمكن العثور على الألومنيوم في العديد من المنتجات الاستهلاكية، بما في ذلك أواني الطهي وعلب المشروبات والسيارات والطائرات ومواد البناء. ويتمتع الألومنيوم بالعديد من الخصائص المرغوبة مثل قدرته على مقاومة التآكل وخفة وزنه؛ وعدم سميته التي تسمح بإعادة تدويره دون فقدان خصائصه الطبيعية؛ وتوصيل كهربائي جيد يسمح بتشكيله في أشكال مختلفة؛ كما أنه غير سام يسمح بإعادة استخدامه دون أن يفقد سلامته كموصل كهربائي مما يسمح بتشكيله بسهولة في أشكال مختلفة.

يوجد اليوم أكثر من 100 نوع من سبائك الألمنيوم في السوق، كل منها مصمم لاستخدامات محددة. تبدأ جميعها على شكل بوكسيت يتم تعدينها ومعالجتها إلى مادة مسحوقية تسمى الألومينا من خلال السحق والغمر في الماء وعمليات التجفيف في الفرن التي تزيل الشوائب مثل الطين والسيليكا؛ تاركة وراءها مادة مسحوقية تعرف باسم الألومينا التي يمكن بعد ذلك تكريرها من خلال المرشحات والعمليات لإنتاج سبائك معدنية أقوى.

تتيح قدرة الألمنيوم على تشكيل السبائك للمصنعين إنتاج مجموعة من المنتجات. كما تتميز السبائك أيضاً بنسب قوة إلى الوزن أعلى من المعادن النقية، مما يجعلها مناسبة للهياكل التي تحتاج إلى دعم الأحمال الثقيلة مثل الطائرات أو المركبات.

الشبة هي من بين مركبات الألومنيوم الأساسية، وتتكون من أملاح مزدوجة صيغتها MAL(SO4)2 *12H2O حيث M هو أي كاتيون منفرد الشحنة مثل K+. ويشتق اسمها من كلمة ألومين اللاتينية (الشكل المعدني)، بينما يمكن العثور على شب البوتاسيوم (KAl(SO4)2 *12H2O) في أغلب الأحيان من بين أشكال أخرى تحتوي على أيونات الصوديوم أو الغاليوم أو الإنديوم سيزيوم أو الأمونيوم.

يمكن دمج الألومينا مع الكبريتات لإنتاج الشب، الذي يُستخدم بعد ذلك على نطاق واسع كعوامل تبييض ومواد كيميائية لتشطيب الأسطح في إنتاج الورق، كما يعمل أيضًا على تنقية مياه الشرب عن طريق الارتباط بالأيونات العكرة التي تساهم في تعكر المياه.

إن مقاومة الألومنيوم للتآكل والتوصيل العالي يجعله مثالياً للاستخدام في الأنظمة الكهربائية، وغالباً ما يكون بديلاً اقتصادياً للنحاس في خطوط النقل والمحولات عالية الجهد. يجب الالتزام بتقنيات التصميم والتركيب السليمة من أجل عمليات آمنة وموثوقة؛ كما يمكن استخدام الألمنيوم لصنع أهداف الرذاذ لترسيب الأغشية الرقيقة على خلايا الوقود وشاشات العرض ومصابيح LED والأجهزة الكهروضوئية أو الخلايا الكهروضوئية.

التطبيقات

الألومنيوم (أو الألومنيوم) هو معدن قابل للتكيف بدرجة كبيرة ويمكن دمجه مع عناصر مختلفة لإنتاج العديد من المواد المفيدة. وللألومنيوم تطبيقات في العديد من المجالات - الفضاء، والطب، وتغليف المواد الغذائية، والسيراميك، وصناعة السيارات وغيرها. وبفضل نسبة قوته العالية إلى وزنه وسهولة تشغيله في أشكال معقدة، فإنه يستخدم منذ فترة طويلة في كابلات الطاقة كمادة عازلة.

وتوفر الطبيعة كبريتات الألومنيوم كمعدن غير قابل للذوبان يُعرف باسم "الألومين". كما يمكن العثور على الألومين، وهو عبارة عن أملاح مزدوجة من MAl(SO4)2 * 12H2O مع كون M أحد أملاح الصوديوم أو البوتاسيوم أو الروبيديوم أو السيزيوم أو الليثيوم في التربة، كما يمكن استخدامه عادةً لتنقية المياه كمُنقٍّ، وتنظيف الأقمشة وإزالة البقع، بالإضافة إلى قدرته على اختزال الألدهيدات والكيتونات بشكل غير عضوي.

إن خلط سبائك الألمنيوم مع معادن أخرى يجعل الألمنيوم أقوى بكثير، مما يزيد من قوة الشد وقوة الخضوع وكذلك مقاومة التآكل. الألمنيوم مفيد بشكل خاص في البيئات الباردة لأن مقاومته للتآكل في درجات الحرارة المنخفضة تجعله مناسبًا للتطبيقات المبردة.

إن الألومنيوم النقي ضعيف ولكن يمكن تقويته من خلال عمليات التشغيل على البارد والمعالجة الحرارية المختلفة، بينما تزيد السبائك التي تحتوي على النحاس والمغنيسيوم والسيليكون من قوة الشد وقوة الخضوع لجعله أكثر قابلية للتشغيل.

تتميز السلسلة 6000 من سبائك الألومنيوم التي تحتوي على المغنيسيوم والسيليكون كعناصر أساسية في صناعة السبائك بقابليتها الممتازة للتشغيل الآلي وقوتها الفائقة. هذه الخصائص تجعل سبائك السلسلة 7000 مفيدة بشكل خاص للطائرات والسيارات ومكونات البناء التي ستتعرض للتآكل في الغلاف الجوي. على الرغم من صعوبة تصنيعها آليًا، إلا أن ليونة هذه السبائك الممتازة توفر نسبة قوة إلى وزن ممتازة. كما أنها مقاومة للتآكل وقابلة للتشكيل، مما يجعلها مادة مثالية للاستخدام في كتل المحرك والأجزاء الأخرى التي تحتاج إلى تبديد الحرارة بكفاءة. يُشار إليها أيضاً باسم الألومنيوم الهيكلي، ويمكن بثق هذه المواد في أشكال مخصصة لتطبيقات التصنيع والبناء.